自錨式懸索橋荷載試驗分析

劉陽 李凡 張焱

摘 要：【目的】為了準確掌握某自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)的運行狀況，對該橋進行荷載試驗。【方法】通過有限元模擬分析和荷載試驗檢測相結(jié)合的方法，基于靜力荷載工況下的應變數(shù)據(jù)、撓度數(shù)據(jù)和纜索數(shù)據(jù)，再結(jié)合動載試驗下的基頻與模態(tài)參數(shù)，將實測值與理論值進行分析比較?！窘Y(jié)果】荷載試驗測試結(jié)果表明：主橋相對殘余應變<20%，撓度校驗系數(shù)介于0.83～0.99之間，吊索索力和主纜變形校驗系數(shù)為0.76～0.91，主橋?qū)崪y前三階自振頻率均大于理論前三階?！窘Y(jié)論】該橋承載能力與剛度滿足要求，吊索和主纜變形滿足設計要求，總體滿足行車要求。

關(guān)鍵詞：橋梁檢測；荷載試驗；自錨式懸索橋；撓度；應變

中圖分類號：U446???? 文獻標志碼：A???? 文章編號：1003-5168（2024）08-0060-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.08.012

Load Test Analysis of Self-Anchored Suspension Bridge

LIU Yang LI Fan ZHANG Yan

（Zhuhai Traffic Engineering Technology Co.， Ltd.， Zhuhai 519090， China）

Abstract： [Purposes] To accurately grasp the operating status of a self-anchored suspension bridge， dynamic and static load tests are carried out on the bridge. [Methods] Based on the strain data， deflection data， and cable data under static load， combined with the fundamental frequency and modal parameters under dynamic load test， the measured values are compared with the theoretical values by the finite element simulation and load test method. [Findings] The load test results show that the relative residual strain of the main bridge is less than 20%， the deflection calibration coefficient is between 0.83 and 0.99， the cable force and the leading cable deformation calibration coefficient are between 0.76 and 0.91， and the measured first three natural vibration frequencies of the main bridge are more significant than the theoretical first three natural vibration frequencies. [Conclusions] The bearing capacity and stiffness of the bridge can meet the requirements， and the deformation of the sling and main cable can meet the design requirements. In general， the driving requirements are met.

Keywords： bridgedetection; loadtest; self-anchored suspension bridge; deflection; strain

0 引言

自錨式懸索橋具有造價低、造型優(yōu)美等優(yōu)點，近年來數(shù)量逐漸增加［1］，因此懸索橋安全性的問題研究逐漸提上了日程。橋梁荷載試驗是全方位、系統(tǒng)化檢查其結(jié)構(gòu)運行狀態(tài)的主要方式［2］，對在役橋梁和新建橋梁進行荷載試驗可以切實掌握橋梁的運行狀況［3-4］，從而保障人民的生命財產(chǎn)安全。

本研究以某自錨式懸索橋項目為依托，對其進行荷載試驗分析，將實測值與理論值進行對比，評估該橋梁運行狀態(tài)，為同類型自錨式懸索橋安全檢測提供參考［5-6］。

1 工程概況

某大橋主橋為雙塔自錨式懸索橋，橋跨布置為（32+40+150+40+32） m，主橋布置如圖1所示，橋面為雙向4車道。主橋主跨為150 m，橋面板采用鋼-混疊合梁，橋?qū)?9.5 m，梁高3.0 m。全橋共設有兩根主纜，橫橋向的中心間距為28.5 m，相鄰吊索索距為5 m。

自錨式懸索橋150 m主梁采用鋼混組合梁，32 m+40 m邊跨采用預應力混凝土箱梁。鋼主梁梁段間施工采用M30的高強度螺栓連接，鋼主梁豎曲線通過調(diào)整拼接板螺栓孔距形成。

鋼混結(jié)合段位于主橋150 m主跨主塔中心線2.25 m處。鋼-混疊合梁的邊主梁伸入箱型截面的錨跨混凝土梁內(nèi)進行混合連接。伸入混凝土的邊主梁頂板內(nèi)外側(cè)均布置剪力釘，底、腹板內(nèi)側(cè)布置剪力釘，同時設置PBL鍵，以加強鋼與混凝土的連接。

主纜分跨為35.5 m+150 m+35.5 m，主跨150 m，矢跨比為1/5.3。吊索采用銷接式，吊索上端通過叉形耳板與索夾連接，下端通過錨頭螺母、球鉸與主梁上的錨墊板連接。

目前，該橋處于建造初期，為檢驗其強度、剛度、抗裂性等性能，以及為橋梁結(jié)構(gòu)技術(shù)狀況及承載能力評定以及日后養(yǎng)護、維修、加固提供科學依據(jù)和支持，有必要對該橋進行荷載試驗。

2 控制截面選取與結(jié)構(gòu)計算

2.1 控制截面選取

根據(jù)《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 233—2015）的相關(guān)規(guī)定和要求，并結(jié)合該橋結(jié)構(gòu)形式與受力特點及試驗前調(diào)查情況，本次試驗選取的控制截面如圖2所示，測試項目見表1。

2.2 結(jié)構(gòu)計算

本次荷載試驗采用橋梁有限元分析軟件Midas-Civil建立該橋的空間梁單元模型，并利用該模型對該橋進行結(jié)構(gòu)計算分析，具體模型如圖3所示。

3 加載工況與測點布置

3.1 加載工況

加載車輛采用三軸載重車，車輛形式如圖4所示，車輛參數(shù)見表2。各控制內(nèi)力影響線和各工況加載車輛布置如圖5所示。

根據(jù)《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 233—2015）對施工驗收荷載試驗的要求，荷載試驗效率應滿足式（1）。

0.85≤ηs≤1.05 （1）

各荷載試驗加載工況及加載效率見表3。

3.2 測點布置

撓度測點布置如圖6所示。

控制截面應變測點布置如圖7所示。其中A-A截面和B-B截面為混凝土箱梁截面；D-D截面和E-E截面為鋼梁截面；C-C截面為鋼混結(jié)合段截面。此處采用振弦式應變計。

吊索索力測點布置如圖8所示，吊索索力測試方法采用環(huán)境激振法。

4 荷載試驗結(jié)果分析

4.1 應變結(jié)果分析

該橋在3個工況下應變測試結(jié)果見表4至表7。

由表4至表7可知，此橋的相對殘余應變均小于20%，表明試驗中該橋處于彈性工作狀態(tài)，且橋梁結(jié)構(gòu)強度滿足設計要求。

4.2 撓度結(jié)果分析

該橋控制截面撓度測試結(jié)果見表8、表9。

由表8、表9可知，該橋的撓度校驗系數(shù)均小于1，介于0.83～0.99之間，證明該橋結(jié)構(gòu)滿足剛度要求。

4.3 纜索結(jié)果分析

在工況四車輛荷載作用下，吊索索力測試結(jié)果見表10。由表10可知，吊索索力校驗系數(shù)處于0.76～0.91，吊索滿足設計要求，均處于彈性工作狀態(tài)。

5 動力荷載試驗

自錨式懸索橋荷載試驗動載部分主要測試橋梁的結(jié)構(gòu)自振參數(shù)和動力結(jié)構(gòu)響應等兩部分，加載分為無障礙行車荷載和有障礙行車荷載。

5.1 動載測點布置

根據(jù)該橋理論計算的前三階模態(tài)振型，對橋跨布置18個測點，測點布置如圖9所示。行車動力響應測試主要項目為橋梁跨中斷面動應變，測試截面選擇圖2中的E-E截面。

5.2 自振特性測試結(jié)果

通過對自然激勵響應測得的數(shù)據(jù)進行模態(tài)識別，得到前三階模態(tài)頻率和阻尼比，見表11。主梁實測豎向前三階自振頻率為0.79 Hz、1.16 Hz、2.18 Hz，均大于理論前三階自振頻率0.71 Hz、1.04 Hz、1.87 Hz，說明結(jié)構(gòu)動剛度指標良好。

5.3 動力響應測試結(jié)果

測試主橋在勻速跑車作用下跨中最大動應變，計算橋梁結(jié)構(gòu)在無行車作用下的動力放大系數(shù)，無障礙跑車試驗和有障礙跑車試驗測試結(jié)果見表12和表13。

6 結(jié)語

本次自錨式懸索橋靜力荷載試驗中，主梁控制截面最大校驗系數(shù)為0.99，吊索索力增量的最大校驗系數(shù)為0.91，全橋相對殘余應變均小于20%，滿足《城市橋梁檢測與評定技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T 233—2015）的要求。在動力荷載試驗中，主橋?qū)崪y前三階自振頻率均大于理論前三階自振頻率，證明該橋動剛度指標良好。該橋在試驗工況荷載作用下，測試數(shù)據(jù)符合理論計算規(guī)律，表明該橋結(jié)構(gòu)性能良好，滿足相關(guān)設計要求。

參考文獻：

［1］武芳文，羅建飛，鄭偉，等.基于穩(wěn)健回歸法的自錨式懸索橋荷載效率系數(shù)優(yōu)化［J］.長安大學學報（自然科學版），2020，40（2）：74-82.

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［3］姚佳利，陳克，歐陽穩(wěn).鋼桁架橋梁荷載試驗分析［J］.工程建設與設計，2023（7）：132-136.

［4］梁清清，盧星輔.大跨徑懸索橋行車試驗分析［J］.中國水運，2023（5）：140-142.

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［6］李佳霖.自錨式懸索橋動靜力學性能和安全性評估［D］.煙臺：魯東大學，2020.

收稿日期：2023-09-08

作者簡介：劉陽（1993—），男，本科，工程師，研究方向：結(jié)構(gòu)檢測與研究。